檢測樣品中待測物含量的設備、方法以及膜的制作方法
【專利摘要】本發明提出了檢測樣品中待測物含量的設備、方法以及膜，該設備包括：選通膜，所述選通膜被設置為適于信號分子通過；以及信號分子檢測裝置，所述信號分子檢測裝置被設置為適于檢測通過所述選通膜的所述信號分子的量，其中，所述選通膜包括：基體，所述基體具有適于所述信號分子通過的信號分子通道；以及受體，所述受體形成在所述基體的表面，所述受體特異性識別所述待測物，并且所述受體與所述待測物的結合能夠改變所述信號分子通過所述選通膜的通過率。由此，避免了待測物與信號分子監測裝置的結合，進而避免了由于上述結合造成的導電性能變差以及活性位點或表面被待測物占據而對檢測可靠性造成的影響。
【專利說明】
檢測樣品中待測物含量的設備、方法以及膜
技術領域
[0001]本發明涉及分析化學領域，具體地，本發明涉及檢測樣品中待測物含量的設備、檢測樣品中待測物含量的方法以及一種膜。
【背景技術】
[0002]電化學由于響應快速、靈敏度高、檢測限低等優勢，在分析化學中占有重要地位。電化學生物傳感器是一種可以將生物信息轉化為電子信號，以檢測生物樣品中組成、各組分含量的電化學器件。電化學生物傳感器具有微型化、集成化、攜帶方便以及成本較低等優點，因此在疾病監測、食品安全監督、環境污染檢測等方面均有廣泛的應用。
[0003]電化學生物傳感器能夠基于傳統的利用電極的電化學分析技術，如循環伏安技術、電位技術、阻抗譜等，將樣品中待測物的含量以及組成與上述電流、電位、阻抗等電學性能進行對應，利用電極檢測電流、電位、阻抗等電信號，從而確定樣品中待測物的含量。近年來，隨著納米技術以及半導體技術的發展，電化學生物傳感器與納米電子設備結合，例如利用納米材料制備的半導體器件以及電學器件替代傳感器中的傳統電極，完成電信號的檢測以及傳輸，利用納米材料比表面積大、結構多變、組成豐富可調控的優點，提高電化學生物傳感器的性能。
[0004]然而，目前的電化學生物傳感器的設備、利用電化學生物傳感進行樣品檢測的方法仍有待改進。
【發明內容】
[0005]本申請是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識作出的:
[0006]納米材料具有較大的比表面積，并且可以通過改性修飾等方法對目標待測物實現可靠的識別。然而目前利用納米材料的電化學生物傳感器，通常難以達到納米材料本身能夠提供的高靈敏度、低檢測限以及高可信度。發明人經過深入研究發現，這是由于目前的納米材料電化學生物傳感器在進行傳感檢測時，目標待測物或信號物質與納米材料電學器件結合，而上述結合通常會導致納米材料電學器件的電學性能下降，例如導電性能降低。此夕卜，目標待測物或信號物質通常為蛋白、DNA、抗體等物質，上述物質與納米材料電學器件的結合不僅導致器件導電性能的大幅下降，并且導致納米材料電學器件表面的被上述體積較大的物質占據，納米材料自身高比表面積的優勢難以發揮。
[0007]本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明提出一種具有選通膜的檢測設備，該檢測樣品中待測物含量的設備包括選通膜以及信號分子檢測裝置，特異性識別待測物的受體不直接位于信號分子檢測裝置中，受體與待測物的結合不會對信號分子檢測電路造成負面影響，進而可以發揮具有納米材料的信號分子監測裝置的高靈敏度，從而能夠實現該檢測設備的高可靠性以及低檢測限。
[0008]在本發明的一個方面，本發明提出了一種檢測樣品中待測物含量的設備。根據本發明的實施例，該設備包括:選通膜，所述選通膜被設置為適于信號分子通過；以及信號分子檢測裝置，所述信號分子檢測裝置被設置為適于檢測通過所述選通膜的所述信號分子的量，其中，所述選通膜包括:基體，所述基體具有適于所述信號分子通過的信號分子通道；以及受體，所述受體形成在所述基體的表面，所述受體特異性識別所述待測物，并且所述受體與所述待測物的結合能夠改變所述信號分子通過所述選通膜的通過率。由此，避免了待測物與信號分子監測裝置的結合，進而避免了由于上述結合造成的導電性能變差以及活性位點或表面被待測物占據而對檢測可靠性造成的影響。
[0009]根據本發明的實施例，該設備還可以進一步具有下列附加技術特征的至少之一:
[0010]根據本發明的實施例，該設備包括:殼體，所述殼體內限定出檢測空間；以及所述選通膜，所述選通膜設置在所述檢測空間中，并將所述檢測空間分隔為樣品腔室和檢測腔室，其中，所述受體設置在選通膜遠離所述檢測腔室的表面上;所述信號分子檢測裝置設置在所述檢測腔室中。受體在遠離檢測腔室的一側完成與待測物的結合，并通過上述結合改變選通膜對于信號分子的通過率，進而將待測物的含量與檢測腔室中信號分子的含量形成具有對應關系的聯系，從而完成待測物含量的檢測。由此，在待測物不與信號分子監測裝置結合的前提下完成檢測，從而可以提高檢測的靈敏度、檢測限以及可靠性。
[0011]根據本發明的實施例，該設備可以進一步包括:傳感溶液，所述傳感溶液設置在所述檢測腔室中。由此，可以在溶液的環境中完成上述檢測，從而可以選擇多種能夠在溶液中自由移動的分子、離子作為信號分子，進而可以擴展該設備的應用范圍。
[0012]根據本發明的實施例，該設備可以包括:所述選通膜，所述受體設置在所述選通膜的上表面；以及所述信號分子檢測裝置，所述信號分子檢測裝置設置在所述選通膜的下方。由此，在待測物不與信號分子監測裝置結合的前提下完成檢測，從而可以提高檢測的靈敏度、檢測限以及可靠性。
[0013]根據本發明的實施例，該設備進一步包括傳感溶液，所述傳感溶液設置在所述選通膜與所述信號分子檢測裝置之間。由此，可以在傳感溶液環境中完成待測物與受體的結合以及信號分子檢測裝置對于信號分子的檢測，進而可以簡化該設備的結構，在節約成本的同時，簡化待測物檢測過程。
[0014]根據本發明的實施例，所述檢測樣品中含有所述信號分子。由此，可以簡便地將信號分子引入檢測環境中，從而完成對于待測物含量的檢測。
[0015]根據本發明的實施例，進一步包括:隔離膜，所述隔離膜覆蓋所述選通膜的至少一部分表面。由此，可以防止選通膜表面吸附環境中的雜質而污染選通膜，并且可以提高選通膜的力學性能。
[0016]根據本發明的實施例，所述受體與所述待測物的結合能夠提高或者降低所述所述信號分子通過所述選通膜的通過率。由此，可以通過上述兩種方式控制信號分子的通過率，進而可以擴展該設備的應用范圍。
[0017]根據本發明的實施例，所述提高所述信號分子通過所述選通膜的通過率是通過使所述受體脫離所述基體而實現的。由此，可以利用受體與待測物之間較強的結合力而使受體脫離基體，并暴露基體表面的信號分子通道而提高信號分子的通過率，進而可以實現與受體結合能力較強的待測物的檢測。
[0018]根據本發明的實施例，所述降低所述信號分子通過所述選通膜的通過率是通過封閉所述信號分子通道的至少一部分而實現的。由此，可以利用待測物與受體之間較強的結合力，使待測物結合在選通膜上，并覆蓋信號分子通道的至少一部分，此時受體與基體之間的結合能力較強，從而可以擴展根據本發明實施例的設備能夠檢測的待測物的種類。
[0019]根據本發明的實施例，所述受體通過共價鍵、離子鍵、氫鍵或范德華力設置在所述基體的表面上。由此，可以根據實際情況調節受體與基體之間結合的牢固程度，進而可以擴展該設備的應用范圍。
[0020]根據本發明的實施例，在所述選通膜中，所述基體是由納米材料以及粘結材料形成的，其中，所述納米材料包括選自碳納米管、石墨稀以及氧化石墨稀的至少之一;所述粘結材料包括選自聚二甲基硅氧烷、環氧樹脂、聚乙二醇、羥丙基纖維素、聚(N-異丙基丙烯酰胺)、二氧化硅納米顆粒、氧化鐵納米顆粒以及氧化鋁納米顆粒的至少之一。由此，可以利用上述納米材料提高基體的比表面積，進而可以實現高靈敏度、低檢測限的檢測。
[0021]根據本發明的實施例，在所述基體中，所述碳納米管沿管徑垂直于所述選通膜所在平面的方向排列，或者所述碳納米管沿管徑平行于所述選通膜所在平面的方向排列。由此，可以利用碳納米管的管徑或者碳納米管之間的間隙作為信號分子通道，進而可以增加信號分子通道的數目，并且可以對信號分子通道的尺寸進行調節，從而可以實現高靈敏度、低檢測限的檢測。
[0022]根據本發明的實施例，所述選通膜進一步包括:支撐層，所述支撐層是由氮化硅或者過濾膜形成的。由此，可以為該選通膜提供具有一定力學強度的支撐層，防止在運輸以及使用過程中選通膜破碎或破裂而無法使用。
[0023]根據本發明的實施例，所述受體為選自DNA、RNA、適配體、抗體、縮氨酸以及酶分子的至少之一。由此，可以利用上述受體的生物特性，特異性地和與受體相匹配的待測物進行結合，從而增強對待測物檢測的選擇性。
[0024]根據本發明的實施例，所述信號分子為選自不變價離子、氧化還原物種、氧化劑以及還原劑的至少之一。由此，可以利用上述小分子改變信號分子檢測裝置能夠檢測到的電學信號，以便完成待測物含量與電信號之間的轉換。并且，上述小分子不會造成信號分子檢測裝置導電性能的下降，且上述小分子不與信號分子監測裝置直接結合，因此避免了由于占據活性位點而造成檢測結果的不可靠。
[0025]根據本發明的實施例，所述信號分子檢測裝置包括:基板以及信號傳感電路，其中，所述信號傳感電路設置在所述基板的表面并輸出電信號，所述電信號根據通過所述選通膜的所述信號分子的量的改變而改變。由此，可以實現待測物含量與電信號之間的轉換。
[0026]根據本發明的實施例，所述電信號包括選自電流、電壓、電位、電容以及阻抗的至少之一。由此，可以選擇能夠改變上述電信號的物質作為信號分子，從而進一步擴展該設備的應用范圍。
[0027]根據本發明的實施例，所述信號傳感電路包括選自微米電極、場效應管以及敏化電阻器的至少之一。由此，可以利用上述電子器件構成的信號傳感電路完成電信號的輸出，進而可以進一步擴展該設備的應用范圍。
[0028]根據本發明的實施例，所述微米電極是由選自金電極以及碳電極的至少之一構成的，所述微米電極包括微米工作電極、微米對照電極以及微米計數電極。由此，可以利用上述微米電極構成信號傳感電路，從而可以提高電極的有效面積，從而提高檢測的靈敏度，降低檢測限。
[0029]根據本發明的實施例，所述敏化電阻器由兩個塊金屬電極結構以及將所述金屬電極結構橋連起來的碳納米管構成。由此，可以利用上述敏化電阻器完成電信號的傳感，從而提高檢測的靈敏度，降低檢測限。
[0030]根據本發明的實施例，所述場效應管包括選自結型場效應晶體管、金屬半導體場效應晶體管以及MOS場效應晶體管的至少之一。由此，可以利用上述場效應管完成電信號的傳感，進而可以提高檢測的靈敏度，降低檢測限。
[0031]在本發明的另一方面，本發明提出了一種利用前面所述的設備檢測樣品中待測物含量的方法，其特征在于，包括:(a)將所述待測樣品與含有信號分子的溶液混合；(b)使步驟(a)中所得到的混合物與所述選通膜設置有所述受體的表面接觸；以及(C)利用所述信號分子檢測裝置檢測通過透過所述選通膜的信號分子的量，并通過所述透過所述選通膜的信號分子的量確定所述檢測樣品中所述待測物的含量。由此，可以避免待測物與信號分子檢測裝置的直接結合，從而可以避免由于導電性能降低、活性位點被占據而對檢測結果的可靠性、檢測的靈敏度以及檢測極限造成負面影響。
[0032]在本發明的又一方面，本發明提出了一種膜。根據本發明的實施例，該膜包括:基體，所述基體具有適于信號分子通過的信號分子通道；以及受體，所述受體形成在所述基體的表面，所述受體特異性識別待測物，并且所述受體與所述待測物的結合能夠改變所述信號分子通過所述基體的通過率。
【附圖說明】
[0033]圖1顯示了根據本發明一個實施例的設備結構示意圖；
[0034]圖2顯示了根據本發明另一個實施例的設備結構示意圖；
[0035]圖3顯示了根據本發明又一個實施例的設備結構示意圖；
[0036]圖4顯示了根據本發明又一個實施例的設備結構示意圖；
[0037]圖5顯示了根據本發明又一個實施例的設備結構示意圖；
[0038]圖6顯示了根據本發明又一個實施例的設備結構示意圖；
[0039]圖7顯示了根據本發明一個實施例的選通膜的結構示意圖；
[0040]圖8顯示了根據本發明一個實施例的檢測過程示意圖；
[0041 ]圖9顯示了根據本發明另一個實施例的檢測過程示意圖；
[0042]圖10顯示了根據本發明一個實施例的敏化電阻結構示意圖；
[0043]圖11顯示了根據本發明另一個實施例的敏化電阻結構示意圖；
[0044]圖12顯示了根據本發明一個實施例的碳納米管陣列選通膜基體示意圖；
[0045]圖13顯示了根據本發明一個實施例的氧化石墨選通膜基體結構示意圖；
[0046]圖14顯示了本發明實施例5的測試過程示意圖；以及
[0047]圖15顯示了本發明實施例5的電化學測試圖。
[0048]附圖標記說明:
[0049]選通膜100，基體110，信號分子通道10，受體120;
[0050]信號分子檢測裝置200;
[0051 ]殼體 300;
[0052]樣品腔室400;
[0053]檢測腔室500;
[0054]信號分子20;
[0055]隔離膜600;
[0056]支撐層700
【具體實施方式】
[0057]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0058]在本發明的一個方面，本發明提出了一種檢測樣品中待測物含量的設備。根據本發明的實施例，參考圖1，該設備包括:選通膜100以及信號分子檢測裝置200。
[0059]具體地，根據本發明的實施例，選通膜100包括基體110，并且基體110上具有能夠使信號分子通過的信號分子通道10。此外，基體110上還具有受體120，受體120能夠特異性地識別待測物，并且受體與待測物的結合能夠改變信號分子通道10的信號分子通過率。該設備通過選通膜100實現待測物與受體的特異性結合，并且上述特異性結合可以改變信號分子通過選通膜100的通過率，從而建立通過選通膜100的信號分子的量與檢測樣品中待測物含量的關系，通過信號分子檢測裝置200對信號分子的量進行檢測，從而獲得待測物的含量。由此，可以在檢測過程中避免待測物與檢測裝置結合，進而可以避免由于待測物與檢測裝置結合而對檢測裝置的電學性能造成影響，從而可以提高利用該裝置進行檢測的靈敏度、降低檢測限并且提高檢測結果的可靠性。
[0060]下面對該裝置的具體結構進行詳細描述。
[0061 ]根據本發明的實施例，選通膜100的基體110可以由納米材料以及粘結材料形成。具體地，納米材料包括碳納米管、石墨烯以及氧化石墨，粘結材料包括聚二甲基硅氧烷、環氧樹脂、聚乙二醇、羥丙基纖維素、聚(N-異丙基丙烯酰胺)、二氧化硅納米顆粒、氧化鐵納米顆粒以及氧化鋁納米顆粒。例如，參考圖12，選通膜100的基體可以由碳納米管以及粘結材料形成。例如，可以采用具有多跟碳納米管并且碳納米管排列規則的碳納米管陣列以及粘結材料形成選通膜100，碳納米管的兩端呈打開狀態，并且碳納米管可以具有I?5nm的內徑。粘結材料可以提高碳納米管陣列的力學強度，并且能夠為碳納米管陣列提供保護，防止在使用過程中碳納米管在外力的作用下發生移動或損壞，例如，可以選用聚二甲基硅氧烷或者環氧樹脂作為粘結劑，填充碳納米管之間的空隙，從而保護碳納米管自身結構并保持陣列中碳納米管排列的有序性。需要說明的是，在本發明中，碳納米管的管徑可以平行于選通膜所在的平面，也可以垂直于選通膜所在的平面。此外，構成選通膜100的納米材料還可以為石墨烯或者氧化石墨。參考圖13，可以通過抽濾的方式，利用粘結材料與氧化石墨或者石墨烯的混合溶液形成薄膜，構成選通膜100 ο例如，可以選擇聚乙二醇、羥丙基纖維素、聚(N-異丙基丙烯酰胺)、二氧化硅納米顆粒、氧化鐵納米顆粒以及氧化鋁納米顆粒的至少之一作為粘結材料，與氧化石墨或者石墨烯的溶液進行混合，利用上述粘結材料填充石墨烯或氧化石墨片之間的間隙。
[0062]根據本發明的實施例，參考圖2，該裝置還可以包括:殼體300，殼體300限定出檢測空間，選通膜100設置在檢測空間中，并將檢測空間分為樣品腔室400和檢測腔室500。其中，受體120設置在選通膜100遠離檢測腔室500的表面上，信號分子檢測裝置200設置在檢測腔室500中。由此，受體在遠離檢測腔室的一側完成與待測物的結合，并通過上述結合改變選通膜對于信號分子的通過率，進而將待測物的含量與檢測腔室中信號分子的含量形成具有對應關系的聯系，從而完成待測物含量的檢測。由此，在待測物不與信號分子監測裝置結合的前提下完成檢測，從而可以提高檢測的靈敏度、檢測限以及可靠性。
[0063]此外，根據本發明的實施例，該裝置中還可以進一步包括傳感溶液，傳感溶液設置在檢測腔室500中。由此，可以在溶液的環境中完成上述檢測，從而可以選擇多種能夠在溶液中自由移動的分子、離子作為信號分子，進而可以擴展該設備的應用范圍。
[0064]需要說明的是，在滿足待測物與受體的結合過程以及信號分子的檢測過程分別在選通膜的兩側獨立進行的前提下，選通膜以及信號分子檢測裝置之間的相對位置不受特別限制。例如，根據本發明的一個實施例，選通膜100的上表面設置有受體120，信號分子檢測裝置200設置在選通膜100的下方。此外，傳感溶液可以設置在該裝置中選通膜100與信號分子檢測裝置200之間。由此，可以使通過信號分子通道10進入檢測腔室500中的信號分子分散在傳感溶液之中，在溶液的環境下通過信號分子檢測裝置200完成對信號分子的檢測，進而確定待測物的含量。此外，參考圖3，選通膜100還可以垂直設置，樣品腔室400以及檢測腔室500分別設置在選通膜100的兩側，信號分子檢測裝置200設置在檢測腔室500之中，信號分子檢測裝置200可以水平地設置(如圖3所示)，信號分子檢測裝置200也可以垂直地設置(圖中未示出)。本領域技術人員可以根據信號分子的具體種類、信號分子檢測裝置的具體類型對上述設置方式進行設計。
[0065]根據本發明的實施例，受體120可以為選自DNA、RNA、適配體、抗體、縮氨酸以及酶分子的至少之一。本領域技術人員可以理解的是，受體120是根據檢測樣品中的待測物進行選擇的。根據待測物的具體類型以及特性，在上述范圍內選擇能夠與待測物特異性結合的物質構成受體120，以便在檢測中使待測物特異性地與受體120結合。根據本發明的實施例，參考圖5，信號分子20可以添加在檢測樣品中。換句話說，檢測樣品中含有信號分子20。由此，可以方便地引入信號分子20，以便實現根據本發明實施例的設備的檢測功能。此外，采用傳統的電化學生物傳感器進行檢測，當待測物為檢測樣品中的微量或痕量物質，例如生物分子、病毒、細菌、真菌等物質時，直接獲得的檢測樣品中待測物的含量很難達到檢測裝置的檢測極限，此時需要準備大量樣品進行濃縮，以便提高檢測樣品中待測物的含量。而根據本發明的實施例采用選通膜在待測物含量與信號分子通過率之間建立了聯系，可以通過信號分子的通過率反應待測物的含量。而信號分子20可以人為地添加到檢測樣品中，因此信號分子20的濃度可以根據本發明中信號分子檢測裝置200的檢測極限進行設計，從而可以避免收集大量待測樣品，并節省了繁瑣的濃縮步驟。根據本發明的實施例，信號分子20可以為不變價離子、氧化還原物種、氧化劑以及還原劑的至少之一。根據本發明的實施例，信號分子20可以為氫離子、氫氧根、鈣離子、六氰化鐵酸根、氯化三(雙吡啶)合釕、高錳酸根、過氧根、維他命C等。上述物質可以引起信號分子檢測裝置所處環境中電學性能的改變，例如，不變價離子自身可以增強傳感溶液的導電性，從而增強信號分子檢測裝置所處環境(即傳感溶液)的電導率;或者，在傳感溶液中添加能夠與信號分子20發生反應的物質，選用氧化劑、還原劑或氧化還原物質作為信號分子，通過發生氧化還原反應，引起電子的轉移，利用信號分子檢測裝置檢測電子的轉移，進而確定環境中信號分子的含量。由此，可以檢測信號分子20的含量。
[0066]根據本發明的實施例，受體120與待測物的結合能夠提高或者降低信號分子20通過選通膜100的通過率。具體地，參考圖8，待測物與受體120的結合降低信號分子20通過選通膜100的通過率，是通過封閉信號分子通道10的至少一部分實現的。換句話說，當待測物具有較大的尺寸時，待測物與受體120的結合可以遮擋住信號分子通道10的頂端，從而使信號分子20不能由信號分子通道10通過選通膜，從而通過待測物與受體120的結合，降低信號分子20通過選通膜100的通過率，因此，該選通膜100也被稱為“陰性膜”。參考圖9，待測物與受體120的結合提高信號分子20通過選通膜100的通過率，是通過受體120脫離基體110實現的。換句話說，當受體120具有較大的體積時，設置在基體110表面的受體120可以遮擋住信號分子通道10的頂端，從而使信號分子20不能通過選通膜100。當待測物與受體120結合時，受體120脫離選通膜100的表面，進而暴露信號分子通道10，從而提高信號分子20透過選通膜100的通過率，因此該選通膜100也被稱為“陽性膜”。
[0067]為了選通膜100的上述功能，受體120可以通過共價鍵、離子鍵、氫鍵或范德華力設置在基體110的表面上。本領域技術人員可以根據實際情況，對受體120與集體110的結合方式進行設計。例如，當受體120具有較大的尺寸，能夠遮擋信號分子通道10且待測物與受體120之間的結合力較強時，可以選擇較弱的結合方式(例如范德華力等)將受體120設置在基體110的表面上，以便利用待測物與受體120之間較強的結合力，將受體120帶離基體110的表面，并暴露信號分子通道10。當待測物具有較大的尺寸，可以遮擋信號分子通道10時，可以選擇較強的結合方式將受體120設置在基體110的表面上(例如共價鍵、離子鍵等)，以便在待測物與受體120結合時，將待測物也固定在基體110的表面上，從而起到遮擋信號分子通道10，改變信號分子20通過選通膜100的作用。由此，可以通過檢測通過選通膜100的信號分子20的量，間接確定檢測樣品中待測物的含量。
[0068]根據本發明的實施例，為了進一步提高該設備的使用壽命，保證選通膜100在未使用時保持潔凈不被污染，該設備還可以進一步包括:隔離膜600以及支撐層700。具體地，參考圖6，隔離膜600可以覆蓋選通膜100的至少一部分表面，以防止在選通膜100未被使用時，表面的受體120暴露在環境中而造成污染。此外，參考圖7，隔離膜600還可以包裹選通膜100的全部外表面，以便對選通膜100提供更好的保護。根據本發明的實施例，隔離膜600可以由可溶性膜形成，以便在選通膜100投入使用時，可以通過溶解、外界刺激破碎(施加電壓等方式)等方式除去，并暴露出選通膜100。例如，隔離膜600可以由金膜構成，在實際使用中，通過通電的方式，使金膜破碎。需要說明的是，隔離膜600的組成、設置方式、破碎除去方式不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際情況對隔離膜600進行設計，只要隔離膜600能夠為選通膜100提供保護，并且可以在實際使用過程中簡便地破碎或除去，且破碎的隔離膜600產生的殘渣不會對樣品檢測過程造成影響即可。此外，為了進一步提高選通膜100的力學性能，根據本發明的設備還可以進一步具有支撐層700。具體地，參考圖4以及圖6，支撐層700設置在選通膜100不具有受體120—側的表面，以便提高選通膜100的整體力學強度，延長選通膜100的使用壽命。本領域技術人員可以理解的是，支撐層700可以由能夠實現上述功能并不影響選通膜100自身使用功能的材料形成。具體地，根據本發明的實施例，支撐層700可以是由氮化硅或者過濾膜形成的。例如，支撐層700可以為氮化硅材料形成的基板，并利用電子束在氮化硅基板上形成多個次微米級的孔，以便在為選通膜100提供足夠的力學支撐的前提下，使通過選通膜100的信號分子可以通過支撐層700;或者，可以簡便地利用濾膜形成支撐層700。由此，可以為該選通膜100提供具有一定力學強度的支撐，防止在運輸以及使用過程中選通膜100破碎或破裂而無法使用。
[0069]根據本發明的實施例，信號分子檢測裝置200包括:基板以及信號傳感電路。其中，信號傳感電路設置在基板的表面并輸出電信號，電信號可以根據通過所述選通膜的所述信號分子的量的改變而改變。由此，可以實現待測物含量與電信號之間的轉換。
[0070]具體地，電信號可以包括選自電流、電壓、電位、電容以及阻抗的至少之一。由此，可以選擇能夠改變上述電信號的物質作為信號分子，從而進一步擴展該設備的應用范圍。
[0071]根據本發明的實施例，信號傳感電路包括選自微米電極、場效應管以及敏化電阻器的至少之一。由此，可以利用上述電子器件構成的信號傳感電路完成電信號的輸出，進而可以進一步擴展該設備的應用范圍。具體地，微米電極是由選自金電極以及碳電極的至少之一構成的，微米電極包括微米工作電極、微米對照電極以及微米計數電極。例如，可以利用微米金顆粒或具有微米級粒徑的碳顆粒對傳統電極表面進行修飾而形成具有較高比表面積的微米電極，由此，可以提高電極的有效面積，從而提高檢測的靈敏度，降低檢測限。
[0072]此外，還可以利用敏化電阻器構成信號傳感電路。敏化電阻器由兩個塊金屬電極結構以及將金屬電極結構橋連起來的碳納米管構成。參考圖10以及圖11，兩塊金屬電極之間可以由單根碳納米管連接，也可以由多跟碳納米管組成的網絡連接。上述敏化電阻器可以檢測到信號傳感電路中電導率微小的改變，由此，可以提高檢測的靈敏度，降低檢測限。為了進一步提高信號傳感電路的檢測效果，信號傳感電路中夠可以包含多個上述敏化電阻器。
[0073]根據本發明的實施例，信號傳感電路還可以包括場效應管。具體地，場效應管可以包括選自結型場效應晶體管、金屬半導體場效應晶體管以及MOS場效應晶體管的至少之一。由此，可以利用上述場效應管完成電信號的傳感，進而可以提高檢測的靈敏度，降低檢測限。
[0074]根據本發明的實施例，上述含有敏化電阻器或者場效應管的信號傳感電路可以通過檢測電路電阻等電學信號的改變，反應傳感溶液中的PH值、電荷量等參數的變化，而信號分子20的含量可以改變傳感溶液中的上述參數，從而可以建立信號傳感電路的電信號與待測物含量的聯系。
[0075]綜上所述，根據本發明實施例的設備具有以下優點:
[0076]1、通過人為添加信號分子，創造高濃度信號物質環境，可以解決樣品中待測物含量過低而導致的檢測敏感性差。
[0077]2、利用選通膜避免了待測物與信號檢測裝置的直接結合，從而保證了具有納米材料的信號檢測裝置本身具有的高敏感性。
[0078]在本發明的另一方面，本發明提出了利用前面描述的設備檢測樣品中待測物含量的方法。根據本發明的實施例，該方法包括:
[0079](a)引入信號分子
[0080]根據本發明的實施例，在該步驟中，將待測樣品與含有信號分子的溶液混合。由此，可以在待測樣品中加入信號分子，以便利用前面描述的設備，建立信號分子與待測物之間的聯系，從而通過檢測通過選通膜的信號分子的量，反應待測樣品中待測物的含量。關于信號分子的種類，前面已經進行了詳盡的描述，在此不再贅述。
[0081]需要說明的是，在該步驟中，“將待測樣品與含有信號分子的溶液混合”應做廣義理解，也就是說，既可以在待測樣品溶液中直接添加信號分子，也可以是將待測樣品溶液與含有信號分子的溶液混合，還可在含有信號分子的溶液中直接加入待測樣品。
[0082](b)與受體接觸
[0083]根據本發明的實施例，在該步驟中，使含有待測無以及信號分子的混合溶液與選通膜具有受體的表面接觸。由此，可以實現待測物與受體的結合，并改變信號分子通過選通膜的通過率。關于選通膜的結構以及特征、受體的具體類型，前面已經進行了詳盡的描述，在此不再贅述。
[0084](C)確定待測物含量
[0085]根據本發明的實施例，在該步驟中，利用信號分子檢測裝置檢測通過選通膜的信號分子的量，并通過信號分子的量確定待測樣品中待測物的含量。關于信號分子檢測裝置，前面已經進行了詳盡的描述，在此不再贅述。
[0086]具體地，在該步驟中，信號分子檢測裝置可以利用電壓、電阻、電位、特殊氧化還原反應電勢等參數，獲得通過選通膜進入檢測腔室中的信號分子的量。而進入檢測腔室中的信號分子的量與選通膜上與受體結合的待測物的含量有關，即與待測樣品中待測物的含量有關。由此，通過對信號分子的檢測，可以間接獲得待測樣品中待測物的含量。
[0087]由于該方法是利用前面描述的設備對待測樣品進行檢測的，因此該方法具有前面描述的設備在檢測樣品的過程中所具有的全部特征以及優點，在此不再贅述。總的來說，該方法具有以下優點:
[0088]1、通過人為添加信號分子，創造高濃度信號物質環境，可以解決樣品中待測物含量過低而導致的檢測敏感性差。
[0089]2、利用選通膜避免了待測物與信號檢測裝置的直接結合，從而保證了具有納米材料的信號檢測裝置本身具有的高敏感性。
[0090]在本發明的又一方面，本發明提出了一種膜。根據本發明的實施例，這一膜包括:基體以及受體。具體地，在基體上，具有能夠使信號分子通過的信號分子通道，受體形成在基體表面，能夠特異性識別待測物，并且待測物與受體的特異性結合能夠改變信號分子通過基體的通過率。關于組成基體、受體的具體材料、信號分子的種類以及基體的結構特征，可以與前面描述的檢測樣品中待測物含量的設備具有相同的特征以及優點，前面已經進行了詳盡的描述，在此不再贅述。由此，根據本發明時實施例的膜能夠在通過該膜的信號分子的量以及待測物含量之間建立聯系，從而可以應用于待測物的檢測中，并且可以避免在檢測待測物含量時，由于待測物直接與信號檢測裝置結合而對檢測結果造成的不利影響。
[0091]下面通過具體的實施例對本發明進行說明，本領域技術人員能夠理解的是，下面的具體的實施例僅僅是為了說明的目的，而不以任何方式限制本發明的范圍。另外，在下面的實施例中，未對具體的處理條件和處理方法進行明確描述，則可以采用本領域中公知的條件和方法進行處理。
[0092]實施例1制備豎直排列碳納米管陣列選通膜基體
[0093]豎直排列碳納米管陣列的制備:化學氣相沉積法制備。采用硅片為基底，4nm鐵顆粒為催化劑，乙烯為碳源，氬氣為載氣，氫氣為催化氣體，在25毫米直徑的焚化管中進行生長。其中，乙烯、氫氣、氬氣的體積比為(70:70:70)seem。溫度725攝氏度，生長時間I小時。
[0094]選通膜的制備:豎直排列碳納米管陣列被浸沒在聚二甲基硅氧烷(PDMS)與催化劑(Sylgard 184)的混合溶液中(PDMS: Sylgard 184質量比為10:1 )，真空干燥箱70攝氏度干燥I小時。制備的混合膜浸入氫氟酸中10分鐘以除去硅基底。隨后，浸入N-甲基吡咯烷酮(NMP)與四正丁基氟化銨(TBAF)混合溶液中1.5小時除去多于PDMS(NMP與IM TBAF水溶液體積比為3:1)。然后采用氧氣等離子體刻蝕20分鐘以除去碳納米管表面PDMS并使碳納米管端頭開口。
[0095]實施例2氧化石墨烯選通膜基體
[0096]氧化石墨稀制備:氧化石墨稀采用改進的Hummer S法制備，具體地，取3g石墨片(Sigma-Aldrich)與1.5g硝酸鈉混合，加入70ml濃硫酸中，攪拌30分鐘。置于冰水浴中，緩慢加入15g高錳酸鉀，將樣品加熱至35攝氏度反應2小時。隨后，加入140ml去離子水稀釋，攪拌I小時。冷卻至室溫后，過濾數次，最后用5%濃鹽酸以及去離子水清洗。
[0097]氧化石墨烯選通膜制備:在聚碳酸酯膜上對0.lmg/ml的氧化石墨烯溶液進行抽濾。
[0098]實施例3碳納米管敏化電阻陣列制備
[0099]制備電極序列:在Si02/Si基底上設置光阻膜，通過深度紫外光刻制備電極序列圖案。然后通過蒸鍍以及剝離(lift off)工藝在電極序列圖案上蒸鍍金屬并除去剩余光阻膜，形成W/Pt電極。
[0100]碳納米管生長:采用具有電極序列的Si02/Si基底生長碳納米管陣列。催化劑溶液為將溶解鍛制氧化硅、乙酰丙酮鐵、乙酸鉬、乙酸鈷溶解于乙醇中超聲兩小時制成。將含有催化劑溶液的基片放入石英管中，在500SCCm氫氣氣氛中升溫至850攝氏度，轉換成100sccm甲燒/500sccm氫氣/20sccm乙稀的混合氣體，生長10分鐘后，在氫氣氣氛中冷卻至室溫。
[0101]實施例4單壁碳納米管網絡敏化電阻陣列制備
[0102]單壁碳納米管網絡制備:采用化學氣相沉積制備。在清潔過的Si/Si02(二氧化硅層2μπι厚)上噴涂催化劑溶液。催化劑溶液為將溶解鍛制氧化硅、乙酰丙酮鐵、乙酸鉬、乙酸鈷溶解于乙醇中超聲兩小時制成。將含有催化劑溶液的基片放入石英管中，在1200sCCm氬氣以及36sCCm氫氣氣氛中升溫至850攝氏度，采用零下一攝氏度的酒精起泡器對氣流進行轉換，生長20分鐘后，利用不經過酒精起泡器冷卻的氣流冷卻至室溫。
[0103]在單壁碳納米管網絡表面旋涂PMMA溶液(3000轉每分鐘)，然后浸入氫氟酸中，除去二氧化硅以及催化劑顆粒。隨后將具有PMMA膜的單壁碳納米管網絡浸入水中，利用液面張力將硅基底進行剝離。在P++Si(厚度5nm)/納米氧化硅(厚度50nm)的基底表面通過蒸鍍以及剝離工藝沉積鈦/金(Ti以及Au均為50nm厚)電極對。每個基片上有32個電極對，每個基片具有長150微米，寬度為100微米、50微米、25微米以及10微米的電極對各8個。單壁碳納米管網絡轉移至電極陣列上并用氮氣槍吹干，120攝氏度真空干燥I小時。然后用丙酮浴除去PMMA，單壁碳納米管網絡利用光刻形成電極對之間的橋連形狀，在20mTorr、100W條件下氧氣等離子體處理5分鐘，在170攝氏度下用二甲基亞砜(DMSO)清洗8小時。獲得的單壁碳納米管網絡敏化電阻陣列結構參考圖11。
[0104]實施例5碳納米管陣列選通膜DNA電化學傳感器
[0105]使用實施例1中制備的碳納米管陣列選通膜基體。
[0106]修飾受體:利用碳化二亞胺反應原理，在選通膜表面修飾氨基改性探針單鏈DNA受體(Cy3-T15-NH2，ssDNA，T15):室溫下，將選通膜基體置于Iml含有ΙΟμΜ氨基改性探針單鏈DNA、10mM的1-以及-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸、25mM的氯化鈉混合溶液中反應。去離子水清洗除去過量DNA。制備的選通膜為“陰性膜”，即隨著待測DNA與受體DNA的結合，信號分子通道關閉，信號分子的透過量降低。
[0107]傳感器組裝:ssDNA-碳納米管選通膜上下表面貼附ο型聚二甲基硅氧烷膠墊夾在兩個做為樣品腔室和滲透端檢測腔室的聚苯乙烯比色皿中間。
[0108]對比例I空白納米膜(Plain membrane)
[0109]空白納米膜的結構為實施例5中的選通膜不含有受體，即采用實施例5中的步驟制備空白納米膜，所不同的是，不在空白納米膜表面修飾受體。
[0110]對比例2參考膜(control)
[0111]參考膜為按照實施例5制備的不含有納米信號分子通道的膜。即按照實施例5中選通膜的制備步驟制備不含有碳納米管陣列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜。
[0112]DNA電化學傳感器性能測試
[0113]對實施例5制備的DNA電化學傳感器以及對比例1、對比例2中的納米膜或空白膜進行傳感器性能測試。
[0114]采用六氰化鐵([Fe(CN)6]3—)為信號分子，傳感溶液為0.1mM的氯化鉀溶液。在三電極體系中通過循環伏安法對傳感器性能進行測試。其中，測試溶液中含有10nM的與ssDNA匹配的待測DNA(序列A15)。測試結果參考圖15。對比例I中不含有受體，因此信號分子的透過量隨時間變化的曲線為六氰化鐵分子透過單壁碳納米管網絡，由樣品腔室向檢測腔室(圖14中的左側腔室至右側腔室)進行自由擴散的過程。該曲線的斜率為信號分子的透過率。對比例2為不含有信號分子通道的PDMS膜，因此信號分子無法由樣品腔室進入檢測腔室，信號分子的透過量隨時間變化的曲線為一條基本與X軸平行的直線。
[0115]為了檢測實施例5制備的DNA電化學傳感器中的信號分子通道是否為導通狀態，首先采用不含有A15DNA的測試液(即含有六氰化鐵的0.1mM的氯化鉀溶液)對DNA電化學傳感器進行測試。參考圖15，DNA電化學傳感器中由于含有受體，信號分子通道的直徑較不修飾受體的對比例I小，因此信號分子的透過率較空白膜稍有下降，但信號分子仍具有較高的透過量，表明實施例5中的信號分子通道為導通狀態。隨后在含有10nM的與ssDNA匹配的待測DNA(序列Al 5)的測試溶液中對實施例5制備的DNA電化學傳感器性能進行測試。由于實施例5制備的選通膜為“陰性膜”，因此信號分子的透過量隨待測DNA與受體的結合而降低。參考圖15，實施例5制備的DNA電化學傳感器的信號分子透過量與時間的曲線基本與對比例2重合，表明待測DNA與受體的結合十分靈敏，該電化學傳感器響應十分迅速，無拖延。為了檢測實施例5制備的DNA電化學傳感器對待測DNA檢測的敏感度，采用含有一個堿基不與受體DNA匹配的誤配DNA測試溶液，即含有六氰化鐵以及誤配DNA(AAAAAAACAAAAAAA)的0.1mM的氯化鉀溶液對實施例5制備的電化學傳感器進行測試。在該誤配DNA中，不匹配的堿基位于DNA的中部，在DNA檢測中，這種誤配DNA比不匹配的堿基位于單鏈DNA兩端的誤配DNA更加難以檢測。參考圖15，實施例5制備的電化學傳感器在檢測這種誤配DNA(AAAAAAACAAAAAAA)時，由于誤配DNA不完全與受體匹配，因此信號分子通道并沒有關閉，只是由于信號分子通道入口處結合由誤配DNA，因此只有部分信號分子通道被堵，故信號分子的透過率較對比例I以及實施例5在不含有待測DNA的測試溶液中的透過率有所降低。然而實施例5的電化學傳感器在檢測誤配DNA時信號分子的透過率仍與檢測待測DNA時信號分子的透過率(基本平行于X軸)有較大差別。因此，根據本發明實施例的電化學傳感器在檢測DNA時具有極好的敏感度。
[0116]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0117]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
[0118]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體;可以是機械連接，也可以是電連接或彼此可通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0119]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0120]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
[0121]盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權項】
1.一種檢測樣品中待測物含量的設備，其特征在于，所述設備包括: 選通膜，所述選通膜被設置為適于信號分子通過；以及 信號分子檢測裝置，所述信號分子檢測裝置被設置為適于檢測通過所述選通膜的所述信號分子的量， 其中， 所述選通膜包括: 基體，所述基體具有適于所述信號分子通過的信號分子通道；以及受體，所述受體形成在所述基體的表面，所述受體特異性識別所述待測物，并且所述受體與所述待測物的結合能夠改變所述信號分子通過所述選通膜的通過率。2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，包括: 殼體，所述殼體內限定出檢測空間；以及 所述選通膜，所述選通膜設置在所述檢測空間中，并將所述檢測空間分隔為樣品腔室和檢測腔室， 其中，所述受體設置在選通膜遠離所述檢測腔室的表面上，所述信號分子檢測裝置設置在所述檢測腔室中； 任選地，所述設備進一步包括傳感溶液，所述傳感溶液設置在所述檢測腔室中； 任選地，所述設備包括: 所述選通膜，所述受體設置在所述選通膜的上表面；以及 所述信號分子檢測裝置，所述信號分子檢測裝置設置在所述選通膜的下方； 任選地，所述設備進一步包括傳感溶液，所述傳感溶液設置在所述選通膜與所述信號分子檢測裝置之間； 任選地，所述檢測樣品中含有所述信號分子。3.根據權利要求1或2所述的設備，其特征在于，進一步包括: 隔離膜，所述隔離膜覆蓋所述選通膜的至少一部分表面。4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述受體與所述待測物的結合能夠提高或者降低所述所述信號分子通過所述選通膜的通過率； 任選地，所述提高所述信號分子通過所述選通膜的通過率是通過使所述受體脫離所述基體而實現的； 任選地，所述降低所述信號分子通過所述選通膜的通過率是通過封閉所述信號分子通道的至少一部分而實現的。5.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述受體通過共價鍵、離子鍵、氫鍵或范德華力設置在所述基體的表面上； 任選地，在所述選通膜中，所述基體是由納米材料以及粘結材料形成的，其中，所述納米材料包括選自碳納米管、石墨稀以及氧化石墨稀的至少之一;所述粘結材料包括選自聚二甲基硅氧烷、環氧樹脂、聚乙二醇、羥丙基纖維素、聚(N-異丙基丙烯酰胺)、二氧化硅納米顆粒、氧化鐵納米顆粒以及氧化鋁納米顆粒的至少之一； 任選地，在所述基體中，所述碳納米管沿管徑垂直于所述選通膜所在平面的方向排列，或者所述碳納米管沿所述管徑平行于所述選通膜所在平面的方向排列。6.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述選通膜進一步包括:支撐層，所述支撐層是由氮化硅或者過濾膜形成的。7.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述受體為選自DNA、RNA、適配體、抗體、縮氨酸以及酶分子的至少之一； 任選地，所述信號分子為選自不變價離子、氧化還原物種、氧化劑以及還原劑的至少之 O8.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述信號分子檢測裝置包括:基板以及信號傳感電路， 其中，所述信號傳感電路設置在所述基板的表面并輸出電信號，所述電信號根據通過所述選通膜的所述信號分子的量的改變而改變； 任選地，所述電信號包括選自電流、電壓、電位、電容以及阻抗的至少之一； 任選地，所述信號傳感電路包括選自微米電極、場效應管以及敏化電阻器的至少之一； 任選地，所述微米電極是由選自金電極以及碳電極的至少之一構成的，所述微米電極包括微米工作電極、微米對照電極以及微米計數電極； 任選地，所述敏化電阻器由兩個金屬電極以及將兩個所述金屬電極橋連起來的碳納米管構成； 任選地，所述場效應管包括選自結型場效應晶體管、金屬半導體場效應晶體管以及MOS場效應晶體管的至少之一。9.一種利用權利要求1?8任一項所述的設備檢測樣品中待測物含量的方法，其特征在于，包括: (a)將所述待測樣品與含有信號分子的溶液混合； (b)使步驟(a)中所得到的混合物與所述選通膜設置有所述受體的表面接觸；以及 (C)利用所述信號分子檢測裝置檢測通過透過所述選通膜的信號分子的量，并通過所述透過所述選通膜的信號分子的量確定所述檢測樣品中所述待測物的含量。10.—種膜，其特征在于，包括: 基體，所述基體具有適于信號分子通過的信號分子通道；以及 受體，所述受體形成在所述基體的表面，所述受體特異性識別待測物，并且所述受體與所述待測物的結合能夠改變所述信號分子通過所述基體的通過率。
【文檔編號】G01N27/26GK105891296SQ201610266687
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】唐曉武
【申請人】唐曉武